[发明专利]一种新型的相变存储器的读操作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种新型的相变存储器的读操作方法。

背景技术

相变存储器的基本存储单元为采用了相变材料的存储器件。相变材料是指可以在一般非晶体和一般晶体状态之间电切换的材料，适用于这样的应用的典型材料包括各种硫属元素化合物。通过在器件上施加一定数值的持续电激励，相变材料便会因为温度的变化而在晶体和非晶体的状态间转变。如图1所示，处于晶体和非晶体状态下的相变材料具有相当不同的I/V特性，依据此特性便可以在编程时将相变材料存储器的状态区分为“0”和“1”。我们将处于高阻台的非晶体状态定义为逻辑“0”，将处于低阻状态的晶体状态定义为逻辑“1”。

而且，在没有施加过温(比如持续超过150度)的情况下，相变材料的状态不会改变。在实际应用中，将所编程的值与相应的物理状态对应好以后，因为相变材料物理状态的稳定性，在掉电后编程的值将得到维持，不需要持续的刷新。

相变材料的相位变化是通过升高材料的温度来进行的。当低于150℃时，相变材料的物理状态会保持稳定。当温度高于200℃(图2中所示的Tx)时，相变材料会迅速的发生晶体化，并在一段时间后完全的从非晶体态转变为晶体态(图2中所示的时间t2)，即完成所谓的相变，实现从“0”向“1”的变化。如果要实现“1”到“0”的变化，即晶体到非晶体的转变，则需要将相变材料加热到可以令晶体融化的温度Tm之上(大概在600℃)，然后迅速冷却(图2所示的时间t1)。

以上是基于相变材料基于温度而产生的相变。具体涉及到电学操作时，因为相变材料总归具有一定的电阻，通过加上适当的电流并维持适当的时间，通过形成的焦耳热便可以完成相位变化。

存储器中，相变材料构成的器件通常会与一个开关器件一起构成一个基本单元。实际的电路设计中，开关器件可以选择MOSFET、二极管或者双极型晶体管。通过在字线WL上施加一定的电压使开关器件导通，再在位线BL上通上适当的写电流并持续一定的时间，因为持续的过温，相变材料的物理状态便会发生改变。如果事先获得了相变材料的物理变化和字线BL上写电流的关系，并规定两种物理状态为相应的“0”和“1”，便可以通过电流对存储器进行编程，这便是所谓的存储器的写操作。我们将写“0”称为reset，写“1”称为set，两种操作时电流和时间的关系如附图1所示。

读操作时，同样是通字线WL选中一个单元，再在位线BL上施加一个瞬态的电流或者电压脉冲，通过相变材料器件后，在器件两端形成一个对应的压降或者在位线BL上形成相应的电流。将这个电压信号或者电流信号送入一个比较器(因为瞬态激励很小，必要的话可以先经过放大器放大)。而在比较器的另一个输入一个合适的参考电压，通过与来自存储器的电压或者电流进行比较，从而判断读到的是逻辑电平0还是逻辑电平1，再将这个判断结果从比较器的输出端输出，于是便实现了读操作。因为读操作只有一个很小的瞬态电流，所以并不会改变相变材料存储器的状态。

相变存储器的1T1R结构如图3a，301为相变材料，他的状态代表着相应的数据。302为一个mos管。读取数据时，在302栅端(302a)加上合适的电压使302开启。这时，根据301阻值的不同(也就是数据的不同)我们就可以在302b段得到不同的电流或电压，这样就区分开了存储的数据“0”和“1”。但是对于1T1R结构有个不足之处。众所周知，mos管的驱动能力比较弱。我们常把相变材料高阻时，看作存有数据0，低阻时看作存有数据1。当301存储“1”时，阻值大概在1K ohm左右，当301存储“0”时，阻值要大于1M ohm。所以当对于301不同状态的阻值，如果希望在202b端得到的电流或电压比较有区分度(电流大小相差大)的话，我们就需要大大增大mos管的宽长比来达到。但是这样就使得存储器面积也大大增大了。